Katalis besi China menjanjikan olefin yang lebih bersih dari gas sintesis batu bara dan biomassa

Rute baru dari gas sintesis menuju bahan sehari-hari

Para peneliti China mengungkap katalis nanopartikel berbasis besi yang mengubah gas sintesis, campuran karbon monoksida dan hidrogen yang dikenal sebagai syngas, langsung menjadi olefin, bahan dasar berbagai plastik dan karet sintetis. Tim tersebut melaporkan efisiensi yang jauh lebih tinggi dibandingkan metode yang ada, pemanfaatan hidrogen yang lebih baik dalam reaksi, serta tahapan proses yang lebih sedikit. Penelitian ini menawarkan cara baru untuk memproduksi bahan kimia dari batu bara, biomassa, atau sumber syngas lainnya tanpa bergantung pada bahan baku minyak bumi.

Olefin seperti etilena dan propilena merupakan bahan dasar kemasan, suku cadang mobil, serat pakaian, deterjen, pelarut, dan perekat. Saat ini, sebagian besar olefin diproduksi dengan memecah minyak bumi pada suhu tinggi atau mengubah metanol menggunakan katalis. Kedua rute tersebut mengonsumsi banyak energi dan menghasilkan aliran limbah, termasuk karbon dioksida. Katalis baru ini menggabungkan dua reaksi kimia dalam satu partikel sehingga efek gabungannya meningkatkan kinerja dan mengurangi produk samping yang tidak diinginkan.

Dalam pengujian yang telah melalui penelaahan sejawat, inti karbida besi termodifikasi natrium dengan cangkang oksida besi mencapai selektivitas olefin di atas 75 persen dan hasil hidrokarbon sekitar 33 persen berdasarkan berat. Konversi karbon monoksida meningkat hingga sekitar 95 persen. Yang terpenting, efisiensi atom hidrogen, yakni ukuran seberapa banyak atom hidrogen yang berakhir dalam produk berguna alih-alih hilang menjadi air atau produk samping lainnya, mencapai sekitar 66 hingga 86 persen. Angka ini jauh lebih tinggi daripada kisaran 43 hingga 47 persen yang dilaporkan pada pendekatan tradisional. Menurut hasil penelitian yang diterbitkan di Science, katalis beroperasi secara stabil selama 500 jam dan memangkas limbah per unit produk hampir separuhnya.

Mengapa olefin penting bagi ekonomi global

Etilena dan propilena berada di jantung rantai bahan modern. Permintaan global terhadap molekul-molekul ini menopang produksi ratusan juta ton plastik dan elastomer setiap tahun. Perengkahan uap konvensional mengubah nafta atau etana menjadi molekul-molekul tersebut dengan panas yang sangat tinggi. Pabrik metanol menjadi olefin, banyak di antaranya berada di China, terlebih dahulu membuat metanol dari syngas, lalu mengubahnya menjadi olefin menggunakan katalis zeolit. Kedua jalur ini sudah terbukti, tetapi melibatkan tahapan yang boros energi dan menghasilkan emisi karbon dalam jumlah besar.

Banyak wilayah dengan cadangan batu bara melimpah telah mengembangkan kompleks pengolahan batu bara menjadi bahan kimia yang menggasifikasi batu bara menjadi syngas. Syngas batu bara biasanya mengandung banyak karbon monoksida, tetapi relatif sedikit hidrogen. Produsen sering menambahkan tahap pergeseran gas air tersendiri untuk meningkatkan kandungan hidrogen sebelum sintesis lanjutan. Setiap tahapan tambahan mengonsumsi uap, menambah biaya, dan melepaskan lebih banyak CO2. Rute langsung dari syngas menjadi olefin yang menggunakan hidrogen secara lebih efisien dan menghilangkan tahapan perantara dapat mengurangi konsumsi energi serta menyederhanakan pabrik.

Di balik terobosan: cara kerja katalis besi

Kimia syngas telah dipelajari selama beberapa dekade. Desain baru ini menggunakan inti karbida besi yang diselubungi cangkang oksida besi berpori, dengan natrium sebagai promotor. Arsitekturnya penting. Inti mendorong pembentukan hidrokarbon rantai pendek yang menjadi olefin, sementara cangkang mengelola air dan karbon monoksida untuk menghasilkan hidrogen tambahan tepat di tempat yang dibutuhkan inti.

Menggabungkan pergeseran gas air dan pembentukan olefin dalam satu partikel

Ada dua reaksi mendasar yang berlangsung. Pertama, reaksi tipe Fischer-Tropsch mengubah karbon monoksida dan hidrogen menjadi hidrokarbon dan air. Tahap ini dapat menghasilkan olefin yang diinginkan, tetapi juga menghasilkan air yang biasanya membawa hidrogen pergi sebagai limbah. Kedua, reaksi pergeseran gas air mengubah karbon monoksida dan air menjadi hidrogen dan karbon dioksida. Di pabrik konvensional, tahap pergeseran berlangsung di reaktor terpisah, dan hidrogen digunakan pada tahap berikutnya.

Dalam katalis baru ini, inti karbida besi menghasilkan olefin dan air. Air tersebut berdifusi ke dalam cangkang oksida besi, tempat reaksi pergeseran gas air mengubahnya menjadi hidrogen baru dan CO2. Hidrogen yang terbentuk kemudian kembali ke inti dan membantu menghasilkan lebih banyak olefin. Daur ulang internal ini meningkatkan pemanfaatan hidrogen dan mengurangi kebutuhan akan rasio hidrogen terhadap karbon monoksida yang tinggi dalam syngas masukan. Syngas dari batu bara sering memiliki kandungan hidrogen yang rendah, sehingga fitur ini penting untuk penerapan praktis.

Kinerja yang dilaporkan dalam pengujian dengan penelaahan sejawat

Eksperimen dalam reaktor unggun tetap pada suhu sekitar 623 K dan tekanan 2 MPa menunjukkan selektivitas olefin yang tinggi dengan konversi karbon monoksida yang kuat. Efisiensi atom hidrogen yang dilaporkan mencapai 66 hingga 86 persen, jauh lebih baik daripada metode lama yang kesulitan mempertahankan hidrogen dalam produk. Katalis beroperasi selama 500 jam tanpa penurunan aktivitas yang berarti. Manfaat yang dilaporkan mencakup konsumsi uap yang lebih rendah, pengurangan air limbah, serta penurunan produksi CO2 per unit olefin. Perpaduan konversi, selektivitas, dan daya tahan menunjukkan bahwa desain ini lebih dari sekadar keingintahuan laboratorium.

Efisiensi atom hidrogen, secara sederhana

Efisiensi atom hidrogen adalah konsep sederhana dengan dampak praktis yang besar. Konsep ini mengukur seberapa efisien suatu proses mempertahankan atom hidrogen dalam produk bernilai, alih-alih kehilangan atom tersebut sebagai air atau limbah lainnya. Proses yang menghasilkan lebih banyak limbah air juga membuang hidrogen. Dalam sintesis langsung dari syngas menjadi olefin, rendahnya efisiensi atom hidrogen telah lama membatasi efisiensi dan mendorong naiknya emisi.

Katalis terpadu ini meningkatkan rasio tersebut dengan mengubah air produk samping menjadi sumber hidrogen tambahan di lokasi reaksi. Katalis ini juga memungkinkan penggunaan syngas dengan rasio hidrogen terhadap karbon monoksida yang lebih rendah, yang lazim ditemukan pada gasifikasi batu bara dan terkadang biomassa. Penyesuaian gas dari luar yang lebih sedikit dan tahapan tambahan yang lebih sedikit berarti pemanfaatan sumber daya yang lebih baik serta jejak pemrosesan yang lebih kecil.

Dari hasil laboratorium ke skala industri

Mengembangkan katalis yang menjanjikan menjadi unit industri membutuhkan kestabilan, kemudahan manufaktur, dan kinerja yang dapat diprediksi dalam kondisi pabrik. Kelompok-kelompok riset di China terus mengembangkan katalis besi untuk kimia syngas di beberapa bidang. Sebuah tim di National Institute of Clean and Low Carbon Energy di Beijing mengembangkan katalis karbida besi berfase murni untuk olefin alfa linear yang meminimalkan CO2 dengan mendorong pembentukan air alih-alih jalur langsung menuju CO2. Upaya tersebut menyaring lebih dari seratus formulasi dan melaporkan stabilitas termal yang tinggi serta sintesis sederhana, sementara pengujian percontohan terus berjalan.

Desain inti-cangkang baru ini sejalan dengan upaya yang lebih luas untuk menyederhanakan pengolahan syngas dari batu bara dan biomassa menjadi bahan kimia bernilai tinggi. Pabrik nyata harus menangani komposisi gas yang berubah-ubah, senyawa sulfur atau nitrogen dalam jumlah kecil, serta fluktuasi suhu. Partikel katalis harus tahan terhadap sintering dan pengendapan karbon. Desain reaktor, pengelolaan panas, dan pemisahan produk juga memengaruhi keekonomian. Data laboratorium yang menjanjikan dan pengujian kestabilan selama berjam-jam masih merupakan tahap awal, tetapi arahnya jelas. Fokus kini tertuju pada peningkatan skala, pengoperasian jangka panjang, dan demonstrasi di dalam kompleks kimia batu bara terpadu atau jalur gasifikasi biomassa.

Arti teknologi ini bagi emisi karbon

Penggunaan syngas turunan batu bara untuk membuat bahan kimia tetap akan menghasilkan CO2. Reaksi pergeseran gas air memang menghasilkan CO2, dan proses gasifikasi itu sendiri memiliki jejak karbon. Peningkatan dalam teknologi ini berasal dari efisiensi atom hidrogen yang lebih tinggi, jumlah tahapan operasi yang lebih sedikit, dan penggunaan uap yang lebih rendah. Pengurangan tahapan menurunkan kebutuhan energi dan limbah per ton produk. Proses ini tidak bebas karbon, tetapi dapat mengurangi intensitas emisi dibandingkan rute yang terlebih dahulu mengubah syngas menjadi metanol, lalu menjadi olefin.

Pemilihan bahan baku juga penting. Syngas dari biomassa atau limbah organik mengandung karbon biogenik. Jika dipadukan dengan penangkapan dan penyimpanan karbon, neraca bersihnya dapat beralih ke produksi rendah karbon dan, dalam konfigurasi tertentu, bahkan menghasilkan emisi bersih negatif. Prinsip katalis yang sama berlaku untuk berbagai sumber syngas. Fasilitas yang memiliki akses ke residu pertanian atau limbah kehutanan dapat menggunakan proses ini untuk mengurangi ketergantungan pada bahan baku fosil.

Kemajuan lain dalam katalis besi menunjukkan arah serupa. Sistem karbida besi berfase murni yang menghindari oksida besi dapat mengarahkan reaksi untuk menghasilkan air alih-alih CO2, sehingga memangkas emisi langsung dari permukaan katalis. Program riset di China menyelaraskan inovasi ini dengan sasaran nasional untuk membangun sistem industri rendah karbon sekaligus menjaga keamanan pasokan bahan kimia.

Perbandingan dengan metanol menjadi olefin dan perengkahan uap

Pabrik metanol menjadi olefin sudah tersebar luas. Pabrik tersebut membuat metanol dari syngas, lalu mengubahnya menjadi olefin menggunakan katalis zeolit. Rantai proses ini fleksibel dalam hal bahan baku, tetapi menambah kompleksitas dan konsumsi energi. Rute langsung dari syngas menjadi olefin menghilangkan tahap metanol. Dengan pemanfaatan hidrogen yang lebih baik, rute ini mengurangi kebutuhan uap dan CO2 terkait. Distribusi olefin dan produk samping tetap bergantung pada desain katalis dan kondisi operasi, sehingga produsen akan menilai rute baru ini berdasarkan hasil total, komposisi produk, dan keandalannya.

Perengkahan uap tetap menjadi andalan produksi olefin global. Proses ini berkembang pesat di wilayah yang memiliki pasokan etana atau nafta berbiaya rendah, tetapi membutuhkan banyak energi dan modal. Wilayah dengan pasokan batu bara atau biomassa yang melimpah mungkin tertarik pada rute langsung berbasis syngas karena dapat mengubah sumber daya lokal menjadi bahan kimia yang sama. Kelayakan ekonominya akan bergantung pada biaya katalis, desain reaktor, harga listrik, dan kebijakan yang memberi insentif untuk menurunkan emisi.

Posisi limbah plastik

Minat untuk mencampurkan limbah plastik dengan batu bara atau biomassa guna menghasilkan syngas sebagai bahan baku sintesis kimia terus meningkat. Riset dari National Energy Technology Laboratory di Amerika Serikat menunjukkan bahwa gasifikasi bersama batu bara dan limbah plastik dapat menghasilkan syngas kaya hidrogen sekaligus mengurangi pembentukan tar, terutama ketika digunakan limbah batu bara yang mengandung mineral katalitik alami. Pendekatan ini memadukan pengelolaan limbah dengan pasokan bahan baku untuk kimia syngas.

Tim-tim lain tengah mengeksplorasi pirolisis plastik berbantuan gelombang mikro dengan katalis berbasis besi untuk menghasilkan hidrogen dan nanotube karbon. Proses ini mengandalkan katalis yang menyerap gelombang mikro untuk menciptakan titik-titik panas mikro, sehingga meningkatkan hasil gas dan membentuk material karbon bernilai tinggi. Kandungan besi dan pilihan bahan penyangga, seperti karbon aktif atau karbida silikon, memengaruhi produksi gas sekaligus pertumbuhan nanotube.

Katalis berbasis biochar menawarkan jalur lain dengan mengolah limbah plastik menjadi bahan bakar cair menggunakan material yang dapat dipakai kembali dengan biaya lebih rendah. Metode-metode ini tidak akan menggantikan sintesis olefin, tetapi dapat melengkapi rute syngas dengan mengurangi aliran limbah dan menyediakan bahan baku alternatif. Gambaran yang muncul adalah tersedianya beragam pilihan katalitik untuk mengubah berbagai aliran limbah dan sumber daya menjadi produk berguna.

Tantangan dan hal yang belum diketahui

Meski hasil laboratorium kuat, masih ada sejumlah pertanyaan sebelum teknologi kimia ini menjadi hal umum di pabrik. Reaksi pergeseran gas air menghasilkan CO2, sehingga pengelolaan karbon tetap diperlukan. Penangkapan CO2 pada tekanan dan konsentrasi tinggi memungkinkan dilakukan, tetapi menambah biaya dan membutuhkan infrastruktur. Masa pakai katalis harus dibuktikan selama berbulan-bulan, bukan hanya ratusan jam. Ketahanan terhadap zat pengotor dalam syngas mentah dan kemampuan memulihkan aktivitas katalis di tempat akan penting bagi operasional.

Keekonomian akan menentukan penerapannya. Reaktor dan rangkaian pemisahan baru membutuhkan investasi. Operator akan membandingkan rute langsung ini dengan jalur metanol menjadi olefin dan perengkahan uap yang sudah mapan, berdasarkan modal per ton, penggunaan utilitas, pemeliharaan, dan pendapatan produk. Insentif kebijakan untuk menurunkan emisi, akses ke bahan baku biomassa atau limbah, serta kemajuan dalam penangkapan karbon akan memengaruhi lokasi dan kecepatan penyebaran teknologi ini. Kemajuan ilmiahnya tidak diragukan, tetapi penetrasi pasar bergantung pada peningkatan skala, pembiayaan, dan kinerja andal pada skala industri.

Poin Utama

• Para ilmuwan China melaporkan katalis nanopartikel berbasis besi yang mengubah syngas langsung menjadi olefin dengan efisiensi lebih tinggi dan tahapan lebih sedikit.
• Katalis tersebut menggabungkan pembentukan olefin dengan reaksi pergeseran gas air dalam satu partikel, mendaur ulang air produk samping menjadi hidrogen.
• Kinerja yang dilaporkan mencakup selektivitas olefin di atas 75 persen, konversi karbon monoksida sekitar 95 persen, dan efisiensi atom hidrogen sebesar 66 hingga 86 persen.
• Pengujian kestabilan berlangsung selama 500 jam dan menunjukkan pengurangan limbah sekitar 46 persen per unit produk, serta kebutuhan uap dan air limbah yang lebih rendah.
• Pendekatan ini dapat menggunakan syngas dari batu bara, biomassa, atau sumber lain, sehingga mengurangi ketergantungan pada jalur berbasis minyak bumi seperti perengkahan uap dan metanol menjadi olefin.
• CO2 tetap dihasilkan, tetapi pemanfaatan hidrogen yang lebih tinggi dan jumlah tahapan operasi yang lebih sedikit dapat menurunkan intensitas emisi; penggunaan bahan baku biomassa bersama penangkapan karbon dapat mengurangi jejak karbon lebih jauh.
• Kemajuan terkait pada katalis karbida besi untuk olefin alfa linear dan riset pengolahan limbah menjadi syngas mendukung kemajuan yang lebih luas menuju produksi bahan kimia rendah karbon.
• Penerapan komersial akan bergantung pada masa pakai katalis, keberhasilan peningkatan skala, penanganan CO2, dan daya saing ekonomi dibandingkan teknologi yang ada.